TDD на уровне микроконтроллеров

Тема профессиональной разработки ПО для микроконтроллеров с использованием современных методик уже поднималась. Собственно если вкратце, то было предложено максимально разделять исходный код на отдельные модули и тестировать их логику на ПК независимо от железа. Такой наивный подход способен значительно упростить жизнь разработчику, но в то же время имеет серьёзные недостатки особенно на стыке софта перефирии:

увеличивается объём кода за счёт дополнительных функций или #ifdef на стыке с периферией (всякие UART, I2C, порты ввода-вывода и т.д.). Например логику по установке битов портов можно завернуть в функцию set_flag() и при написании тестов задействовать соотв. ей mock - однако это увеличит общий объём кода
на уровне периферии код часто так и остаётся недопокрытым тестами. К примеру периферийные модули имеют свойство по характерным событиям выбрасывать флаги, наполнять регистры данными - изобретать велосипеды и придумывать фейковые периферийные модули ? Как минимум нужно прекрасно понимать как эта периферия работает, плюс асинхронность
ну а о тестировании фич специфичных для архитектуры микроконтроллера типа MIPS16 вообще и говорить не приходится

Итак далее будет рассмотрен пример с использованием микроконтроллеров Microchip, эмулятора и TDD фреймворка Ceedling. Эмулятор микроконтроллера запускается на ПК и соответственно использует его вычислительные ресурсы, а Ceedling это не более чем средство автоматизации, написано на Ruby плюс всё что может понадобится для покрытия тестами кода на C (Unity, CMock и даже CException).

#apt-get install ruby
~$ gem install ceedling
~$ ceedling new PIC_Demo
~$ cd PIC_Demo/
~$ ls
build  project.yml  rakefile.rb  src  test  vendor

Ещё нам понадобится C компилятор для микроконтроллеров PIC и среда разработки MPLAB. Всё это можно бесплатно загрузить с официального сайта Microchip и после установки этого добра должно получиться примерно следующее:

~$ which xc16-gcc
/opt/microchip/xc16/v1.21/bin/xc16-gcc
~$ which mplab_ide 
/usr/bin/mplab_ide

Никак не обойтись нам без Hello World:

src/hello.c

#include <stdio.h> /* Required for printf */
int main (void)
{
    printf ("Hello, world!");
    return 0;
}

Компиляция + линковка:

~$ xc16-gcc -omf=elf -mcpu=24EP64MC206 src/hello.c \
-o build/hello.elf -Wl,-Tp24EP64MC206.gld
~$ file build/hello.elf
build/hello.elf: ELF 32-bit LSB executable, \
version 1 (SYSV), statically linked, not stripped

Эмуляция. Самый простой случай - использовать sim30, который поставляется вместе с С компилятором xc16-gcc:

~$ echo "
LD pic24epsuper
LC build/hello.elf
IO NULL /tmp/$$.txt
RP
E
Q
" | sim30
~$ cat /tmp/$$.txt
Hello, world!

Прелестно ! Важно отметить что при эмуляции в sim30 есть ограничения и можно указывать только семейства чипов, а не какой-либо конкретно по отдельности:

~$ echo DH | sim30 | grep LD 
LD <devicename> -Load Device: \
dspic30super dspic33epsuper pic24epsuper pic24fpsuper pic24super

Как результат в процессе эмуляции поддерживается не вся имеющаяся на борту микроконтроллера периферия и об этом мы ещё поговорим чуть позже, ну а сейчас самое время начать получать удовольствие от юнит тестов с использованием Ceedling. В Hello World всего одна функция main. Не секрет, что в C программе функция с таким именем может быть только одна, а поскольку в Ceedling она уже явно имеется, для тестов hello.c тут нужны #ifdef - но это частный случай, исключение из правил так сказать и пугаться не стоит:

src/hello.h

#ifndef hello_H
#define hello_H

#ifdef TEST
int test_main(void);
#endif

#endif // hello_H

src/hello.c

#include <stdio.h> /* Required for printf */
#include "hello.h"
#ifdef TEST
int test_main(void)
#else
int main (void)
#endif
{
    printf ("Hello, world!");
    return 0;
}

test/test_main.c

#include "unity.h"
#include "hello.h"

void setUp(void){
}

void tearDown(void){
}

void test_main_function_should_always_return_0(void){
    TEST_ASSERT_EQUAL(0, test_main());
}

По умолчанию Ceedling заточен под gcc, поэтому нужно допилить project.yml, указав компилятор, линковщик в секции :tools::

project.yml

:tools:
  :test_compiler:
    :executable: xc16-gcc
    :arguments:
      - -mcpu=24EP64MC206
      - -x c
      - -c
      - "${1}"
      - -o "${2}"
      - -D$: COLLECTION_DEFINES_TEST_AND_VENDOR
      - -I"$": COLLECTION_PATHS_TEST_SUPPORT_SOURCE_INCLUDE_VENDOR
      - -Wall
      - -Wextra
      - -mlarge-code
      - -mlarge-arrays
      - -mlarge-data
  :test_linker:
    :executable: xc16-gcc
    :arguments:
      - -mcpu=24EP64MC206
      - -omf=elf
      - ${1}
      - -o "./build/TestBuild.out"
      - -Wl,-Tp24EP64MC206.gld

Запуск всех тестов выглядит так:

# для просмотра всех возможностей Ceedling
# rake -T
~$ rake test:all
# build/test/out/cmock.o: Link Error: \
# Could not allocate section .bss, size = 32774 bytes, attributes = bss 
# Link Error: Could not allocate data memory

Линковщик ругается - микроконтроллеру не хватает памяти для работы с cmock, поэтому уменьшим аппетиты этого замечательного инструмента в секции :defines::

project.yml

:commmon: &common_defines
  - UNITY_INT_WIDTH=16
  - CMOCK_MEM_INDEX_TYPE=uint16_t
  - CMOCK_MEM_PTR_AS_INT=uint16_t
  - CMOCK_MEM_ALIGN=1
  - CMOCK_MEM_SIZE=4096

Пробуем:

~$ rake test:all
# ERROR: Test executable "test_main.out" failed.
# > Produced no final test result counts in $stdout:
# sh: 1: build/test/out/test_main.out: not found
# > And exited with status: [127] (count of failed tests).
# > This is often a symptom of a bad memory access in source or test code.

Тут Ceedling наивно пытается выполнить собранную программу test_main.out, но не знает как, зато мы знаем что это делается с помощью sim30:

test/simulation/sim30_instruction.txt

LD pic24epsuper
LC ./build/TestBuild.out
IO NULL ./test/simulation/out.txt
RP
E
quit

test/simulation/sim_test_fixture.rb

OUT_FILE = "test/simulation/out.txt"
File.delete OUT_FILE if File.exists? OUT_FILE
pipe=IO.popen("sim30 ./test/simulation/sim30_instruction.txt")

trap("INT") { Process.kill("KILL", pipe.pid); exit }

Process.wait(pipe.pid)
if File.exists? OUT_FILE
    file_contents = File.read OUT_FILE
    print file_contents
else
    print "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\n" \
          "! Program was not simulated ? !\n" \
          "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
end

Рассказать Ceedling в секции :tools: как всем этим управлять:

project.yml

:test_fixture:
  :executable: ruby
  :name: "Microchip simulator test fixture"
  :stderr_redirect: :win
  :arguments:
    - test/simulation/sim_test_fixture.rb

Запуск... Вуаля !

~$ rake test:all
# ----------------------
# UNIT TEST OTHER OUTPUT
# ----------------------
# [test_main.c]
#   - "Hello, world!"
# -------------------------
# OVERALL UNIT TEST SUMMARY
# -------------------------
# TESTED:  1
# PASSED:  1
# FAILED:  0
# IGNORED: 0

Вот ! Теперь проект будет жить и развиваться вместе с тестами. Предлагаю помигать светодиодом и mockнуть результат сего действа:

src/gpio_led.h

#ifndef gpio_led_H
#define gpio_led_H

void gpio_led_init(void);
void gpio_led_set(int brightness);
void gpio_led_clear();

#endif // gpio_H

src/system.h

#ifndef system_H
#define system_H
#include <stdbool.h>

bool system_should_abort_app();

#endif // system_H

src/hello.c

#include "hello.h"
#include "system.h"
#include "gpio_led.h"
#ifdef TEST
int test_main(void)
#else
int main (void)
#endif
{
    gpio_led_init();
    while(!system_should_abort_app()) {
        gpio_led_set(11);
        gpio_led_clear();
    }
    return 0;
}

test/test_main.c

#include "unity.h"
#include "hello.h"
#include "mock_system.h"
#include "mock_gpio_led.h"

void setUp(void){
    gpio_led_init_Expect();
}

void tearDown(void){
}

void test_main_function_without_loop(void){
    system_should_abort_app_ExpectAndReturn(true);
    TEST_ASSERT_EQUAL(0, test_main());
}

void test_main_function_loop_one_iteration(void){
    system_should_abort_app_ExpectAndReturn(false);
    gpio_led_set_Expect(11);
    gpio_led_clear_Expect();
    system_should_abort_app_ExpectAndReturn(true);
    TEST_ASSERT_EQUAL(0, test_main());
}

Пробуем:

~$ rake test:all
# -------------------------
# OVERALL UNIT TEST SUMMARY
# -------------------------
# TESTED:  2
# PASSED:  2
# FAILED:  0
# IGNORED: 0

Как несложно догадаться из test/test_main.c в пределах одного юнит теста Ceedling линкует все файлы, указанные в его #include, причём если присутствует префикс mock, вместо оригинальной *.c имплементации Ceedling автоматически генерирует mock согласно интерфейсу, прописанному в соответствующем *.h.

Чуть ближе к железу на уровень портов ввода-вывода:

src/gpio_led.c

#include "gpio_led.h"
#include <xc.h>

void gpio_led_init() {
    TRISAbits.TRISA0 = 0;
}

void gpio_led_set(int brightness) {
    /* TODO: brightness :) */
    LATAbits.LATA0 = 1;
}

void gpio_led_clear() {
    LATAbits.LATA0 = 0;
}

test/test_gpio_led.c

#include "unity.h"
#include "gpio_led.h"
#include <xc.h>
#include <string.h>

void setUp(void){
    gpio_led_init();
    LATABITS clean = {0};
    memcpy((void*)&LATAbits, (void*)&clean, sizeof clean);
}

void tearDown(void){
}

void test_gpio_led_set(void){
    TEST_ASSERT_EQUAL(0, LATAbits.LATA0);
    gpio_led_set(11);
    TEST_ASSERT_EQUAL(1, LATAbits.LATA0);
}

void test_gpio_led_clear(void){
    test_gpio_led_set();
    gpio_led_clear();
    TEST_ASSERT_EQUAL(0, LATAbits.LATA0);
}

Пробуем:

~$ rake test:all
# -------------------------
# OVERALL UNIT TEST SUMMARY
# -------------------------
# TESTED:  4
# PASSED:  4
# FAILED:  0
# IGNORED: 0

Очевидно, что такой TDD подход на порядок удобнее предыдущих. Тут очень многое зависит от возможностей эмулятора и иногда функционала sim30 бывает недостаточно. Типичный пример - логика обработка прерываний:

src/gpio_button.h

#ifndef gpio_button_H
#define gpio_button_H

void gpio_button_init(void);

#endif // gpio_H

src/gpio_button.c

#include "gpio_button.h"
#include "gpio_led.h"
#include <xc.h>

void gpio_button_init() {
    TRISFbits.TRISF0 = 1;
    CNENFbits.CNIEF0 = 1;
    IFS1bits.CNIF = 0;
    IEC1bits.CNIE = 1;
}

void __attribute__((interrupt,auto_psv)) _CNInterrupt(void)
{
    IFS1bits.CNIF = 0;
    gpio_led_set(42);
}

test/test_gpio_button.c

#include "unity.h"
#include "gpio_button.h"
#include "mock_gpio_led.h"
#include <xc.h>

void setUp(void){
    gpio_button_init();
}

void tearDown(void){
}

void test_gpio_button_interrupt(void){
    gpio_led_set_Expect(42);
    IFS1bits.CNIF = 1;
    asm("NOP");
}

Упс:

~$ rake test:all
# ------------------------
# FAILED UNIT TEST SUMMARY
# ------------------------
# [test_gpio_button.c]
# Test: test_gpio_button_interrupt
# At line (13): "Function 'gpio_led_set' called less times than expected"

Похоже эмулятор sim30 не обрабатывает прерывания. Альтернатива - использовать эмулятор mdb из среды разработки MPLAB. Текущий MPLAB X IDE v2.05 написан на Java и поэтому эмулятор работает очень небыстро, ну маемо те шо маемо:

test/simulation/mplab_sim_instructions.txt

Device PIC24EP64MC206
Hwtool SIM -p
Program ./build/TestBuild.out
Run
Quit

test/simulation/sim_test_fixture.rb

OUT_FILE = "test/simulation/out.txt"
File.delete OUT_FILE if File.exists? OUT_FILE

pipe = IO.popen("/opt/microchip/mplabx/mplab_ide/bin/mdb.sh "   \
                "./test/simulation/mplab_sim_instructions.txt " \
                "> #{OUT_FILE}")

trap("INT") { Process.kill("KILL", pipe.pid); exit }

Process.wait(pipe.pid)
if File.exists? OUT_FILE
    file_contents = File.read OUT_FILE
    print file_contents
else
    print "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\n" \
          "! Program was not simulated ? !\n" \
          "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
end

Финальный аккорд:

~$ rake test:all
# -------------------------
# OVERALL UNIT TEST SUMMARY
# -------------------------
# TESTED:  5
# PASSED:  5
# FAILED:  0
# IGNORED: 0

Исходники тут.

🏠 Интернет Всего 🚗

TDD на уровне микроконтроллеров - свежий взгляд

links

social